КОЛЬЦО ОБДУВА

Общие соображения

Мы следуем широко распространенной конструкции – вход воздуха снизу по шести патрубкам 1, растекание воздуха в коллекторе 2 и далее под перегородку, подъем из коллектора через распределительные отверстия 3 в дисковый зазор 4 и из него в выходную щель 5. Выходная щель оформлена сменными губками (см. схему).

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

При выборе конструкции главное – обеспечить равномерность воздушного потока на выходе. Ограничения – характеристики вентилятора, габарит и цена кольца. Особенность конструкции – облегченный (нежесткий) коллектор и жесткая система дисков, создающих  дисковый зазор.

Выбор конструкции сделан на основе простейших посылок:

  • Вход патрубков снизу позволяет сразу же в коллекторе разделить входной поток на два. Это фактически удваивает сечение коллектора и потому пред­почти­тельнее входа по касательной
  • Перегородка защищает от прямого попадания струи воздуха из патрубка в отверстия дисковой щели
  • Отверстия – самый надежный и дешевый способ выравнивания раздачи воздуха по щели: они строго одинаковы и размещены однородно. Однородность еще улучшается, если отверстия размещены в шахматном порядке с частичным перекрытием. Струйных следов обтекания перемычек (между отверстиями) не остается, поскольку после них поток останавливается и поворачивает в дисковый зазор
  • Коллектор можно выполнить облегчённым, с пониженными требованиями к точности его изготовления
  • Дисковый зазор нетрудно исполнить однородным, если диски достаточно жестки

Расчет конструкции

Сначала вспомним основные свойства текущего воздуха. Его особенность – отсутствие вязкости, так что свойства потока определяются только инерцией массы. Давление (создаваемое вентилятором) расходуется на ее разгон (энергия потенциальная переходит в кинетическую). Поведение обратимо (хотя и не полностью), и если у препятствия поток останавливается, то развивается давление торможения(кинетическая энергия переходит в потенциальную). Картину потока можно описать.

Качественная картина

Вязкий поток не имеет памяти и его направление в каждой точке задается заново – перепадом давлений. Инерционный поток помнит заданное направление и прежде, чем его повернуть, приходится его остановить. Разницу в поведении этих потоков можно пояснить на примерах;

  • Истечение из трубы в атмосферу:  вязкий поток сразу останавливается, а инерционный – дает факел, который постепенно размывается и рассеивается.
  • Течение из трубы через раструб, открытый вперед – вязкий поток заполняет объем раструба и выходит по всему выходному зазору, распределяясь соответст­вен­но длине пути от входа до выхода ( вязкому сопротивлению). Инерционный поток выходит вперед слабо размытым факелом как из трубы – он не имеет причин распределяться по объему раструба.
  • Течение по коллектору, открытому щелью вбок и закрытому в конце. Для нас это самый важный вид течения:

Вязкий поток по мере движения по коллектору утекает вбок со скоростью, завися­щей от сопротивления щели и локального давления. Поскольку локальное дав­ление снижается по ходу щели (из-за потерь в коллекторе ), расход через щель также постепенно падает. Если коллектор достаточно длинен, весь поток уходит вбок через щель, не заполняя коллектора (образуя «язык» ).

Инерционный поток ведет себя иначе: поток с разбегу проскакивает до конца коллектора, останавливается у преграды, развивает давление торможения и под этим давлением начинает вытекать вбок через щель. Интенсивность потока максимальна у преграды и снижается по мере удаления от нее, т.е. в кол­ле­к­торе также образуется «язык» бокового потока. При большой длине коллекто­ра в части щели, близкой ко входу, наружный воздух подсасывается через щель.

Для обеспечения однородной интенсивности потока в выходной щели нужны условия, определить которые нельзя без количественных оценок.

Количественная картина

Течение воздуха  описывается уравнением Бернулли. Оставляя только инерционный член уравнения (вязкие свойства нам не важны ), получим

dP = r/2 * V2  h  0,6 V2

где dP  - перепад давлений, r - плотность воздуха (кг/м3), Vскорость потока (м/с)

Поскольку  расход есть произведение скорости струи на ее поперечное сечение, то расход зависит только от сечения отверстия и давления перед ним. Значит, увеличить подпор перед отверстием можно только уменьшая сечение отверстия.

Теперь можно обсуждать параметры выбранной конструкции.

Идеально однородный (вдоль щели) поток получить нельзя, можно только достичь заданного уровня неоднородности – например, для кольца обдува можно рекомендовать уровень неоднородности не хуже +/-1-2% от среднего значения скорости потока (размах неоднородности 2-4%). Как же оценить уровень неоднородности при проектировании?

Вернёмся к схеме коллектора (схема упрощена, воздух вытекает вниз, а не подныривает под перегородку, как на разрезе кольца). На схеме воздух входит че­рез патрубок, ударяется в стенку, останавливается и растекается вдоль коллектора. В коллекторе воздух натыкается на встречный поток от другого патрубка, опять останавливается и уходит в дисковую щель (по схеме – вниз). Для «заталкивания» воздуха в щель в коллекторе присутствует постоянный фон давления Р. Сверх того, для разгона воздуха вдоль коллектора требуется давление подпора dР. Это давление подпора и является источником неоднородности давления перед щелью. Следовательно, максимальная оценка относительной неоднородности составит dР / Р*100%.

Итак, однородность зависит от фона давления Р  и давления подпора dР. Они зави­сят прежде всего от суммарного расхода воздуха Q, но этот расход задан процессом и повлиять на него нельзя. Трудно повлиять также и на давление подпора dР,поскольку конструктивно сложно увеличивать по­пе­реч­ное сечение коллектора. Остается уве­ли­чивать фон давления в коллекторе. Рассмотрим сказанное на примере кольца для головки с диаметром выходной щели 175 мм.

Общий расход

Средний диаметр выходной щели воздушного кольца примем 235 мм (выход вверх, ширина щели вверх 15 мм). Поскольку  выходные губки короткие, зона поворота потока невыражена, поток прижимается к препятствию, распределение скоростей в нем неизвестно ни по величине, ни по направлению, то расчет лучше провести по дисковому зазору в его внутренней части (ближе к центру) – там установился равномерный поток. Принимая диаметр дискового зазора 250 мм и высоту 10 мм, получим сечение потока 78 см2. Скорость потока на выходе зазора ограничим величиной 30 м/с, тогда общий расход воздуха в кольце составит

Q = 94*10-4 * 30 = 0,24 м3/с = 850 м3/час.

Давление подпора dР

Принимая сечение коллектора 80 см2 и учитывая, что от каждого патрубка воздух растекается в две стороны, итого – 12 потоков, получим скорость воздуха в коллекторе около 2.5 м/с, так что давление подпора dР = 0,6V2 = 37 Па = 3,7 мм вод.ст.

Р

Фон давления воздуха в коллекторе задается величиной и расположением отверстий и зазоров после коллектора. Он складывается из давления перед отверстиями, дав­ления перед дисковым зазором и давления, затраченного на поворот потока вверх у выхода. Давление перед зазором задано – для скорости 30 м/с оно составит 540 Па = 54 мм в.ст. Давление, затраченное на поворот можно оценить в 0,3 от входного, т.е. 16 мм в.ст. Суммарный фон давления после отверстий составляет 70 мм в.ст. Эта величина за­ведомо мала – она не обеспечивает равномерной раздачи воздуха по щели. Однако, увеличивать давление воздуха (т.е. скорость его в дисковом зазоре) вряд ли желательно – это увеличит скорость потока и его склонность распадаться на струи (что вызывает разнотолщинность пленки и создает частые узкие уплотнения на намотанном рулоне). Остается увеличивать давление перед раздаточными отверстиями. Принимая общее проходное сечение отверстий таким, чтобы скорость воздуха в них была также 30 м/с, получим суммарный фон давления 54 + 54 +16 =124 мм в.ст. Тогда относительная неоднородность раздачи воздуха составит 3,7 : 124 = 3% по давлению или 6% по скорости (скорость пропорциональна квадрату давления).

Ясно, что размах неоднородности 6% (или +/- 3% от среднего значения) – уровень не из лучших. Улучшить ситуацию можно только за счет уменьшения сечения отверстий – если скорость воздуха в них достигнет, например, 40 м/с, то фон возрастет до 96 + 54 +16 = 166, а размах неоднородности уменьшится до 3,7 : 166 = 2,2% по давлению и 4,4% по скорости. Таким образом, можно ограничиться принятыми оценками, или еще увеличить давление перед раздаточными отверстиями.

Примерный порядок расчета раздаточных отверстий.

Если диаметр окружности отверстий – 440 мм, длина окружности 1380 мм, то при 144 отве­рстиях ( цифра 144 выбрана из удобства разметки отвер­стий ) шаг раз­метки  – 9,6 мм.  При скорости воздуха 30 м/с суммарное сечение потока 78 см2 (см. вы­ше) т.е. диаметр отверстия = (78/144*0,785)0,5 = 0,83 см = 8,3 мм, а размер перегородки между отверстиями – 1,3 мм. Поскольку внутри шага  раз­да­ча воздуха неодно­родна, эта неоднородность может в дал­ь­нейшем отпечататься на пленке – и  шаг возможной неоднородности ( при ширине пленки 750*2 = 1500 мм) составит 1500 : 144 = 10,4 мм. Далее улучшать однородность раздачи за счет уменьшения шага разметки (и диаметра отверстий ) – технически сложно, поскольку одновременно уменьшается толщина перегородки. Проще увеличить число отверстий, выбирая отверстия меньшего диаметра и располагая их в шахматном порядке. Так, принимая количество отверстий во внешнем ряду 120, а во внутреннем ряду –119, или всего – 239. Тогда шаг разметки = 11,5,  диаметр отверстия = (78/239*0,785)0,5 = 0,74 = 5,1 мм, и размер перегородки между отверсти­ями – 6,4 мм. Хотя размер перегородки велик, но за счет шахматного расположения отверстий шаг неоднородности раздачи воздуха оказывается при этом меньше – 5,8 мм, т.е. можно считать раздачу однородной.

Дополнительно заметим, что диаметр отверстий в одном ряду не обязательно должен быть равен диаметру отверстий в другом ряду - скорость воздуха в отверстиях не зависит от диаметра.

Из анализа видно, что расход  не влияет на качество раздачи – важно только соотношение сечений. Следовательно, можно изменять режим работы воздухо­дувки, не изменяя качества раздачи воздуха  вдоль щели.

Выбор системы обдува

Общие потери давления в кольце обдува составляют по расчету не менее 170 мм в.ст. при производительности до 1000 м3/час. Однако, этого недостаточно для выбора вентилятора, поскольку существуют также потери давления на пути от вентилятора к кольцу. Оценим их.

В принятой конструкции диаметр входных патрубков и шлангов принят 50 мм (чем тоньше шланги, тем легче конструкция и проще доступ к регулирующим болтам головки). Про­хо­дное сечение шести шлангов –  0,785 * 52 * 6 = 118 см2,  а скорость воздуха в них составит    0,24 :118 * 10-4 = 20 м/с.  Потеря давления в шлангах составит на прямом участке    202 * 0,6 = = 160 Па = 16 мм в.ст. Поскольку обычно раздача воздуха от вентилятора по шлангам оформляется в виде «паука» ( вход из вентилятора снизу вверх по центру бачка, выход – по патрубкам вниз ), то при гладких шлангах это соответствует остановке потока и разгону его заново, так что потеря давления составит не менее 32 мм в.ст., а с учетом шероховатости шлангов – до 50 мм в.ст. Итоговая оценка нагнетательной способности вентилятора – не менее 220 мм в.ст. при полной производительности.

Из известных ста­ндартных вентиляторов требованиям по давлению соответствует, напри­мер, радиальный вентилятор ВР-12-26-2,5 (мощность 2,2 кВт, частота 3420 об/мин). Однако, луч­ше  использовать вентилятор большего габарита (и большего напора) –  тогда удается снизить уровень шума посредством снижения частоты вращения вентилятора.

Требования к точности изготовления

Определено, что основную роль в раздаче воздуха играет геометрия каналов, значит, следует оценить требования к точности их исполнения. Поскольку единожды возник­шие неоднородности раздачи сохраняются и суммируются с последующими, приходится исходить из жестких требований к каждому каналу. За базу примем точность исполнения каждого канала 0,5 % тогда суммарная неоднородность не превысит 2%.

  • Точность поддержания зазора дисковой щели 0,5% означает требования к неплоскостности ( торцевое биение ) каждого диска 0,35% или ( (зазор 12 мм) ) – 0,0035*12 000 мкм = 42 мкм. Зазор можно выверить стандартными плитками, для этого сменные губки крепятся по разные стороны от дисков.
  • Точность исполнения отверстий должна быть не хуже 0,25% ( сечение отверстий пропорционально квадрату диаметра). Это соответствует допуску Н7. Для повышения точности расположения отверстий вдоль окружности можно использовать разбиение их на группы
  • Допуск на изготовление коллектора и входных отверстий и на расположение вход­ных отверстий в нем – нежесткий. Изменение сечения коллектора пропорциона­льно изменяет скорость потока в нем, но слабо отражается на качестве раздачи ( если перепад давлений по коллектору составляет 2% от фона давления в коллекторе, то 10% изменение сечения даст 0,2% изменение потока на выходе )

Дополнительные замечания

Приведенный анализ неоднородности потока на выходе из кольца обдува неполон. Он не учитывает качество раздачи воздуха по шлангам, хотя от этой раздачи зависит многое. Конструктив раздающих усторйств, длина и изгибы шлангов и их однородность по диаметру заслуживают пристального внимания. Из устройств, обеспечивающих раздачу от вентилятора к шлангам, простейшее и достаточно качественное – «паук». В нем воздух от вентилятора входит снизу вверх, ударяется в дно кожуха и выходит вниз по нескольким патрубкам, симметрично по кругу размещенным вокруг входа. Поскольку воздух останавливается, выход его происходит под однородным напором и поток одинаков для всех шлангов (подразумевается разумная точность изготовления). При использовании других конструкций следует учитывать, что поток на выходе вентилятора неоднороден, а поток в трубе при повороте прижимается к одной из стенок и создать неоднородность в раздающем устройстве. В подобных случаях рекомендуется установить шибера перед шлангами и настроить раздачу, измеряя интенсивность каждого потока на выходе из шланга. Например, можно использовать метеорологический анемометр (вертушку), прислоняя его к выходу втулки, в которую заведен шланг (втулка, например Ду75 х 500, полезна тем, что на ее длине поток разравнивается, заполняет сечение, и результаты измерений оказы­ва­ются воспроизводимыми )

Вращение кольца

Рынок предъявляет постоянно растущие требования не только к качеству пленки, но также и к качеству намотки пленки в рулон. Самое эффективное средство улучшения намотки рулона – это вращение рукава относительно наматываемого рулона. При этом участки пленки разной толщины накладываются друг на друга в разных местах, так что кольцевых уплотнений на рулоне не возникает. Для однослойных пленок самый дешевый способ вращения – это вращение кольцевой головки и кольца обдува. Рассмотрим, как обес­печить вращение кольца (вращение головки – отдельная тема).

Обычно предлагаемое на рынке вращаемое кольцо обдува крепится на кольцевой головке и вращается вместе с ним. Однако, вращение кольца целиком невоз­можно ( часть коллектора вместе со шла­нгами и воздуходувкой стоят на полу ), и на самом деле вращается только верхняя часть коллектора с дисковым зазором и губками. Но велик ли смысл вращать диски, т.е. вращать цилиндр вокруг своей оси? Смысл невелик, если цилиндр изготовлен достаточно точно. Тем более, что проведенный выше ана­лиз показывает, что ос­новной источник неоднородности потока обдува находится в коллекторе. Поэтому нами применяется вращение (осцилляция) кольца обдува вместе со шлангами на угол +/- 15-20О ( зависит от конструкции всего экструзионного агрегата ). Такое вращение позволяет ликвидировать мелкие (узкие) кольцевые уплотнения на рулоне, возникающие из-за струйного распада потока в дисковом зазоре. Широкие уплотнения не должны быть связаны с воздушным кольцом и обычно исчезают при вращении формующей головки. В итоге наша конструкция предусматривает собственную подвеску для кольца обдува и собственный привод для его вращения (осцилляции). Частота вращения кольца при этом близка к частоте вращения головки, но фазы вращения, естественно, различны.